Search for Nuclear Magnetic Resonance Evidence of Spin Accumulation

133 Pages·2009·18.49 MB·English

Search for Nuclear Magnetic Resonance Evidence
of Spin Accumulation
THÈSE NO 4434 (2009)
PRÉSENTÉE LE 26 JUIN 2009
À LA FACULTÉ SCIENCES DE BASE
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES MATÉRIAUX NANOSTRUCTURÉS
PROGRAMME DOCTORAL EN PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Aurore RUDOLF
acceptée sur proposition du jury:
Prof. G. Meylan, président du jury
Prof. J.-Ph. Ansermet, directeur de thèse
Prof. A. Domingues dos Santos, rapporteur
Prof. C. Hébert, rapporteur
Dr M. W. Pieper, rapporteur
Suisse
2009

“Above all, don’t fear difficult moments. The best comes from them.”
Rita Levi Montalcini

Acknowledgments
This thesis was made possible because of all the people who supported and helped
me in one way or another during these last four years, both in my professional and
personal life.
I am grateful to my advisor, Prof. Jean-Philippe Ansermet, for the trust he has
placed in me from the onset of this Doctoral work. As much as his contagious pas-
sionforPhysicsandScienceingeneral, Iappreciatehisbeingavailableatalltimes,
hisenthusiasmandhiskindness. Hiscan-doattitudehasbeenachallengingandmo-
tivating driving force. I would also like to thank him for giving me the opportunity
and encouraging me to escape the everyday routine by carrying out experiments in
different institutes at the EPFL as well as in Sweden, and for all the opportunities
thatheofferedtometotravelaroundtheworldandtobroadenmyvisionofscience.
I thank Dr. Jacques van der Klink for his priceless help and support with the
NMR hardware during this thesis work as well as for his availability. He was also
readytoengagemeinhelpfuldiscussionsatanytimewithgreatpatienceandkind-
ness. IwouldliketoexpressmytotalgratitudetoDr. MohamedAbid,whowashere
when I just started and continued to give me substantial and unwavering support
allthroughoutthiswork. IhavenowordstoexpressjusthowmuchIappreciatehis
hard work and incisive suggestions, his day-to-day presence, helping and providing
answers to the most challenging scientific and experimental questions I have had.
Thanks also for his friendship and I hope to have gained some of his impressive
experimentalskills. ThankyoutoDr. Maria-EleniBelesifortheamazingworkand
help she provided me with ever since she arrived. Her kindness has made these last
nine months of my work so much brighter.
I am indebted to Prof. Antonio Domingues dos Santos for providing me with
precioussamplesandforhisinvolvementinmythesisjury. Iwouldalsolikehereto
acknowledge all the other members of the jury, the president Prof. Georges Mey-
lan, Prof. Cécile Hébert and Dr. Martin Wilhelm Pieper for accepting to read the
following pages and for their precious suggestions regarding future work.
I am grateful to all the members of the technical staff, and especially Gilles
Grandjean, José Grandjean, Michel Fazan, André Schläfli and Claude Amendola
and to the secretaries of the institute for their efficiency and kindness, Florence
Choulat,MoniqueBettingerandespeciallyChantalRoulinforherfriendship. Thanks
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a lot to Nicolas Leiser for his precious help regarding the cleanroom.
For the fruitful collaborations, I thank here Prof. László Forró, Prof. Hubert
Girault, Dr. Jean Gamby, Dr. Sima Valizadeh, Dr. Hanna Yousef and Dr. Ana
Akrap for her trust and friendship.
I thank Dr. Simon Granville who generously gave his time and attention not
only to proofread this manuscript but also to advise me on magnetic experiments.
Thank you to Dr. Mirko Milas for his help, notably in Solid Works drawings in the
first two years of this work. Thank you to Dr. Bálint Náfrádi for his help, for our
precious discussions and for his friendship.
My gratitude extends to my colleagues, both past and present members of the
group who became valuable friends, for the collegial atmosphere, their assistance
andourmemorabletimesinday-to-dayworkasmuchasoutsidetheEPFL.Inorder
of appearance, thank you Dr. Andrea Fabian Montabert, Dr. Christophe Terrier,
Dr. Santiago Serrano-Guisan, (very near future Dr.) Sami Jannin, Dr. Arnaud
Comment, Dr. Fiodar Kurdzesau, Elena Murè, Dr. Nicolas Bizière.
ThankyoutoDr. NevenBarišićforhisunconditionalsupportbefore,duringand
certainly after the thesis. Thanks a lot to Dr. Titusz Fehér, for his friendship and
hiskindinvitationsandopportunitiestotraveltoBudapest. Aspecialthankyouto
Ana, Pablo, Camilo, Johanna, Vincent and Silvia. Thanks a lot to my badminton
and running mates and friends, Ana, Pablo, Haiming, Johanna, John, Markus,
Maria-EleniwhomadeFridayandWednesdayeveningssomuchfun. Thankyouso
much to all my friends who accompanied me all or partway along this path, Mar-
tial, Daniel, Jacqueline, Agi, Anna, Claudia, Anikó, Arnaud, Tamas, Csilla, Guido,
Yanki, Ízaro, Joy, Katarzyna, David, Luka, Sherine, Gustav, Gøran.
Tous mes remerciements vont maintenant à mes amis en France, Bénédicte,
Célia, Isabelle, David, Marion pour avoir su rester si proches de moi malgré la dis-
tance. Merci aux deux bouts de chou, Corentin et Marion, pour leur affection dont
ils font preuve à chacun de mes retours en Alsace.
Le plus grand merci va à mes parents pour leur amour, leurs encouragements
et leur soutien inconditionnels. Je suis reconnaissante à mon frère Alexandre, qui
a toujours soutenu ma décision de passer quatre années à proximité des montagnes
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suisses. Et enfin, merci à tous les membres de ma famille pour leur soutien.

Version abrégée
Les développements vers la compréhension des propriétés de transport à l’interface
entre deux métaux différents - ferromagnétique et non magnétique - ainsi que la
découverte de la magnétorésistance géante ont suscité un fort intérêt à la fois de la
communauté scientifique mais aussi de l’industrie électronique avec la perspective
d’utiliser le spin des électrons dans des systèmes électroniques rapides, à l’échelle
nanométrique. La polarisation de spin obtenue en injectant un courant à travers
une nanostructure magnétique est appelée “accumulation de spin”. Au cours de
ce travail de thèse, nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN)
du 59Co à champ nul sous courant afin de sonder cet effet. Aucune mesure locale
de l’accumulation de spin n’a été rapportée à notre connaissance. La RMN était
une technique de choix pour cette étude, étant donné qu’elle permet de sonder de
manière locale la structure électronique et sa dynamique.
Danslapremièrepartiedecettethèse,nousprésentonslesspécificitésdelaRMN
dans les ferromagnétiques. Nous examinons également l’effet attendu sur le signal
RMN du fait de l’accumulation de spin. Dans une deuxième partie, nous décrivons
et caractérisons les différents échantillons que nous avons étudiés au cours de ce
travail de thèse : des granulaires, des nanofils multicouches et des piliers de taille
micrométrique. LatroisièmepartieestconsacréeàladescriptiondesspectresRMN
du 59Co obtenus pour divers échantillons. Nous avons également mesuré les temps
de relaxation spin-spin et spin-réseau dans les échantillons granulaires de Co/Cu.
Cette étude est cruciale dans le choix des meilleurs candidats pour les expériences
de RMN sous courant. Enfin, nous avons utilisé une technique de résonance nu-
cléaireferromagnétiqueexcitéeetdétectéeélectriquement,développéedanslecadre
de cette thèse. Cette technique présente plusieurs avantages par rapport à la RMN
classique : aucune bobine ni aucun circuit résonnant ne sont nécessaires et surtout,
cette technique ouvre de nouvelles perspectives sur la possibilité d’étudier de plus
petitséchantillons,quin’auraientpaspul’êtrepardesméthodesdeRMNclassique.
Unenetteaméliorationendécoule,carlecourantnécessairepourobtenirlesdensités
decourantvouluessontdefaitplusfaibles,etainsi,lechampcrééparcecourantest
ix
x
diminué. Larésonancenucléaireferromagnétiqueexcitéeetdétectéeélectriquement
aétéutiliséepourlesmesuressouscourant. Lesdensitésdecourantinjectéesétaient
suffisammentélevéesdansleséchantillonspourinduiredeseffetsmesurablessurles
spectresobtenus,quisontdécritsetinterprétésdanslapartiefinaledecemanuscrit.
Mots-clés: RMN à champ nul, nanostructures, échantillons magnétoresistifs,
accumulation de spin, résonance nucléaire ferromagnétique excitée et détectée élec-
triquement.